Schnelle Speicher

Deutsche Welle: Herr Parkin, Ihre Forschung hat Festplatten und Speicher gebracht, die tausendmal mehr Daten speichern können als früher. Wie haben Sie das geschafft?

Stuart Parkin: Die digitalen Informationen einer Festplatte sind in kleinen Regionen auf einem magnetischen Film untergebracht. Die Herausforderung war, diese Regionen auf ein noch kleineres Maß schrumpfen zu lassen. Das ist gelungen. Dazu haben wir eine Technologie entwickelt, mit der man Regionen auslesen kann, die tausendmal kleiner sind als früher.

Wie ist das gelungen?

Wir haben quantenmechanische Eigenschaften des Elektrons genutzt - und zwar dessen Spin. Damit konnten wir ganz neue Sensoren und Speicher entwickeln.

Dazu war es nötig, künstliche Materialien zu entwickeln, die in der Natur nicht vorkommen: Schichten mit magnetischen Eigenschaften und dazwischen eine andere Schicht ohne Magnetismus. Die Schichten durften nur ein einzelnes Atom stark sein. So schufen wir atomare Bausteine – Strukturen, die wir so entwerfen konnten, dass es möglich wurde, diese winzigsen magnetischen Regionen auszulesen.

Und wo sind in diesen Schichten die digitalen Informationen gespeichert?

Wir nutzen die Spin-Polarisation der Elektronen, um den elektrischen Widerstand zu kontrollieren, der in einer magnetischen Struktur auftritt. Die Physik dahinter ist folgende: Elektronen können verschiedene Spins - also Drehrichtungen - haben. Wenn Strom aus einer Batterie in ein magnetisches Material eindringt, können Elektronen der einen Spin-Polarisation leichter hindurch dringen als Elektronen der anderen.

Schafft man nun eine atomar dünne Struktur, in der zwei Schichten unterschiedlicher magnetischer Orientierung getrennt von einer nicht magnetischen Schicht aufeinander liegen, dann wirkt die nichtmagnetische Zwischenschicht wie ein Ventil: Elektronen mit der einen Polarisation kommen leichter hindurch als die mit der anderen Polarisation. Wir nutzen diesen Effekt - die sogenannte Magnetresistenz - um die digitale Information auf dem Film der Festplatte in der jeweiligen Richtung des Magnetismus zu verschlüsseln, den diese Region auf der Festplatte hat.

So kann unser "Spin-Ventil-Sensor" – also der Lesekopf, der die Informationen ausliest - die Grenzen dieser Regionen sehr gut erkennen, viel empfindlicher als bisher. Die eigentliche digitale Information steckt damit nicht mehr nur im Magnetismus – wie früher - sondern in der Ausrichtung der Magnetisierung dieser Regionen auf der Festplatte.

Das hat die Welt der Speicher wirklich verändert: Vorbei ist die Zeit der Floppy Disks mit drei Megabyte und externen Festplatten mit 500 Megabyte. Heute haben handelsübliche USB-Sticks schon über 40 Gigabyte und Festplatten ein Terrabyte…

Jede Festplatte, die heute hergestellt wird, nutzt diese Leseköpfe, beziehungsweise die Sensoren, die ich entwickelt habe oder eine sehr ähnliche Technik auf Grundlage der Spintronik. Heute wird die Zwischenschicht zwischen den magnetischen Schichten nicht mehr aus Kupfer hergestellt, sondern aus Magnesiumoxid, einem Material, das ich auch entwickelt habe. Aber das Prinzip ist das Selbe.

Was war nötig, um diesen technologischen Durchbruch zu erreichen?

Es war uns gelungen, die Schichtmaterialien durch eine recht simple Technik auf der atomaren Ebene herzustellen. So konnten wir zeigen, dass Magnetresistenz ein universelles Phänomen ist. Als nächstes konnte ich Materialien ausfindig machen, die diese Eigenschaften auch bei Raumtemperatur zeigten: Kobalt und Kupfer. Daraufhin gelang es uns, einen Sensor zu schaffen, der sehr winzige magnetische Felder auf dieser Struktur erkennen konnte. All diese Schritte führten erst dazu, dass diese Magnetresistenz-Sensoren technologisch relevant und damit marktreif werden konnten.

Nach den Festplatten konzentrieren sich Ihre Forschungen nun auf Arbeitsspeicher. Was gibt es da neues?

1995 haben meine Kollegen vorgeschlagen einen festen Speicher zu bauen, der sich diese Effekte zunutze macht. Viele Firmen auf der Welt, darunter IBM, arbeiten an der Produktionsreife. Das könnte in zwei bis vier Jahren soweit sein. Der Speicher namens Racetrack-Memory bewahrt seine digitale Information auf hauchdünnen magnetischen Drähten.

Man kann sich das wie einen Wald von Nadelbäumen vorstellen. In den Stämmen der Bäume ist die digitale Information in einzelnen Regionen gespeichert - ähnlich wie auf dem Film einer Festplatte. Indem man Strom durch diese Stämme schickt, kann man die Information dann auf den Baum heraufschicken oder wieder herunter holen. In der Wurzel dieser Bäume wäre quasi das Gerät, das die Informationen einspeist oder ausliest.

Welche Vorteile hätte das?

In der Praxis bekommt man einen sehr schnellen Zugang zu den Daten und man könnte die Kapazität eines handelsüblichen USB-Sticks oder Arbeitsspeichers um das Hundertfache erhöhen, weil man auf diese Weise einen dreidimensionalen Speicher bekommt.

Wohin geht die Entwicklung von Speichern und Computern dann?

Wir haben über Jahrzehnte eine exponentielle Vergrößerung der Speicherkapazitäten erlebt. Gleichzeitig sind immer mehr Geräte mit dem Internet verbunden und wir produzieren immer mehr Daten. Aber ob die Computer auch im gleichen Masse schneller werden, ist fragwürdig. Die große Frage ist eigentlich eine andere: Wird es uns gelingen Computer zu bauen, die weniger Energie verbrauchen? Ich glaube das ist möglich.

Das Hirn kann uns dabei als Vorbild dienen. Es ist ein sehr effizientes Rechengerät – etwa eine Million mal energieeffizienter als ein Computerchip aus Silizium. Wir müssen gar nicht unbedingt schneller oder kleiner werden – denn das Hirn ist auch nicht klein oder schnell. Aber die parallele und dreidimensionale Verknüpfung der einzelnen Elemente, die Daten speichern und Rechenleistungen vollziehen, ist viel besser gelöst. Das macht das Hirn so effizient.

Das Interview führte Fabian Schmidt
Redaktion: Tobias Oelmaier

Stuart Parkin ist Direktor am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und Spitzenforscher im Bereich der Speichertechnologie. Am IBM Research Center in San Jose, Kalifornien, hat er Festplattenspeicher entwickelt, die sich quantenmechanische Eigenschaften zunutze machen. Für seine Leistungen erhält Parkin am 7. Mai 2014 den Millenium-Technologie-Preis der Finnischen Technologie Akademie in Helsinki. Am darauffolgenden Tag wird er in Berlin mit einer hochdotierten Professur der Alexander von Humboldt-Stiftung geehrt.